新谈设计模式 Chapter 21 — 模板方法模式 Template Method
Chapter 21 — 模板方法模式 Template Method
灵魂速记：考试卷子——题目框架一样，答案各写各的。
秒懂类比
期末考试：
- 卷子模板：第一题填空、第二题选择、第三题论述
- 学生A：按自己的理解填答案
- 学生B：按自己的理解填答案
试卷框架（算法骨架）不变，具体答案（某些步骤的实现）由子类决定。
问题引入
// 灾难现场：两个类的代码 90% 一样classCSVDataMiner{voidmine(){openFile();// 相同extractCSVData();// 不同！parseData();// 相同analyzeData();// 相同generateCSVReport();// 不同！closeFile();// 相同}};classJSONDataMiner{voidmine(){openFile();// 相同extractJSONData();// 不同！parseData();// 相同analyzeData();// 相同generateJSONReport();// 不同！closeFile();// 相同}};// 6 个步骤中 4 个完全重复！// 加一种格式（XML）？再复制一遍？模式结构
┌───────────────────────┐ │ AbstractClass │ ├───────────────────────┤ │ +templateMethod() { │ ← 模板方法：定义算法骨架（final） │ step1(); │ 固定步骤 │ step2(); │ ← 抽象，子类实现 │ step3(); │ 固定步骤 │ hook(); │ ← 钩子，子类可选重写 │ step4(); │ ← 抽象，子类实现 │ } │ │ +step1() 具体实现 │ │ +step2() 纯虚函数 │ │ +step4() 纯虚函数 │ │ +hook() 默认空实现 │ └───────────┬───────────┘ │ 继承 ┌───────┴───────┐ │ │ ┌───┴───┐ ┌─────┴──┐ │ClassA │ │ClassB │ │+step2│ │+step2 │ │+step4│ │+step4 │ └───────┘ └────────┘C++ 实现
#include<iostream>#include<string>#include<vector>// ========== 抽象类：数据挖掘模板 ==========classDataMiner{public:virtual~DataMiner()=default;// 模板方法：定义算法骨架，不应被子类重写。// 加 virtual + final 可以彻底防止子类通过多态重写：// virtual void mine(const std::string& path) final { ... }// 注意：final 只能用于 virtual 函数，非 virtual 函数加 final 是编译错误。// 这里为了简洁保持非虚：非虚函数无法被多态重写，只能被子类「隐藏」（hiding），// 大多数场景已经够用了。voidmine(conststd::string&path){std::cout<<"━━━ 开始数据挖掘: "<<path<<" ━━━\n";openFile(path);// 固定步骤autorawData=extractData();// 子类实现autodata=parseData(rawData);// 固定步骤analyzeData(data);// 固定步骤if(shouldGenerateReport()){// 钩子！generateReport(data);// 子类实现}closeFile();// 固定步骤std::cout<<"━━━ 挖掘完成 ━━━\n\n";}protected:// 固定步骤：基类实现voidopenFile(conststd::string&path){std::cout<<" 📂 打开文件: "<<path<<"\n";}voidcloseFile(){std::cout<<" 📁 关闭文件\n";}std::vector<int>parseData(conststd::string&rawData){std::cout<<" 🔄 解析数据: "<<rawData.size()<<" 字节\n";return{1,2,3,4,5};// 简化}voidanalyzeData(conststd::vector<int>&data){intsum=0;for(intv:data)sum+=v;std::cout<<" 📊 分析数据: "<<data.size()<<" 条记录, 总和="<<sum<<"\n";}// 抽象步骤：子类必须实现virtualstd::stringextractData()=0;virtualvoidgenerateReport(conststd::vector<int>&data)=0;// 钩子：子类可选重写（默认返回 true）virtualboolshouldGenerateReport(){returntrue;}};// ========== 具体类：CSV 矿工 ==========classCSVDataMiner:publicDataMiner{protected:std::stringextractData()override{std::cout<<" 📄 提取 CSV 数据（逗号分隔）\n";return"1,2,3,4,5";}voidgenerateReport(conststd::vector<int>&data)override{std::cout<<" 📝 生成 CSV 报告: data.csv\n";}};// ========== 具体类：JSON 矿工 ==========classJSONDataMiner:publicDataMiner{protected:std::stringextractData()override{std::cout<<" 📄 提取 JSON 数据（键值对）\n";returnR"({"data":[1,2,3,4,5]})";}voidgenerateReport(conststd::vector<int>&data)override{std::cout<<" 📝 生成 JSON 报告: report.json\n";}};// ========== 具体类：PDF 矿工（不生成报告） ==========classPDFDataMiner:publicDataMiner{protected:std::stringextractData()override{std::cout<<" 📄 提取 PDF 数据（OCR 识别）\n";return"OCR extracted text";}voidgenerateReport(conststd::vector<int>&)override{// 不会被调用，因为钩子返回 false}// 重写钩子：PDF 不生成报告boolshouldGenerateReport()override{returnfalse;}};intmain(){CSVDataMiner csv;csv.mine("sales.csv");JSONDataMiner json;json.mine("users.json");PDFDataMiner pdf;pdf.mine("contract.pdf");}输出：
━━━ 开始数据挖掘: sales.csv ━━━ 📂 打开文件: sales.csv 📄 提取 CSV 数据（逗号分隔） 🔄 解析数据: 9 字节 📊 分析数据: 5 条记录, 总和=15 📝 生成 CSV 报告: data.csv 📁 关闭文件 ━━━ 挖掘完成 ━━━ ━━━ 开始数据挖掘: users.json ━━━ 📂 打开文件: users.json 📄 提取 JSON 数据（键值对） 🔄 解析数据: 22 字节 📊 分析数据: 5 条记录, 总和=15 📝 生成 JSON 报告: report.json 📁 关闭文件 ━━━ 挖掘完成 ━━━ ━━━ 开始数据挖掘: contract.pdf ━━━ 📂 打开文件: contract.pdf 📄 提取 PDF 数据（OCR 识别） 🔄 解析数据: 18 字节 📊 分析数据: 5 条记录, 总和=15 📁 关闭文件 ━━━ 挖掘完成 ━━━钩子（Hook）
钩子是模板方法中的可选扩展点：
classGame{public:voidplay(){initialize();while(!isGameOver()){// ← 这就是钩子takeTurn();}displayResults();}protected:virtualvoidinitialize()=0;virtualvoidtakeTurn()=0;virtualvoiddisplayResults()=0;// 钩子：默认实现，子类可以重写virtualboolisGameOver(){returnturnCount_++>10;}intturnCount_=0;};什么时候用？
| ✅ 适合 | ❌ 别用 |
|---|---|
| 多个类有相似的算法框架 | 每个子类的流程完全不同 |
| 想固定算法骨架，让子类改具体步骤 | 算法需要运行时整体替换（用策略） |
| 消除子类中的重复代码 | 只有一个子类，没必要 |
防混淆
Template Method vs Strategy
| Template Method | Strategy | |
|---|---|---|
| 机制 | 继承 | 组合 |
| 替换什么 | 算法的某几个步骤 | 整个算法 |
| 决定时机 | 编译时（子类继承） | 运行时（设置策略对象） |
| 灵活度 | 低（改继承要改代码） | 高（运行时换） |
| 类比 | 考试卷子（框架固定） | 导航路线（完全换方案） |
一句话分清：Template Method 换零件，Strategy 换整台机器。
Template Method vs Factory Method
Factory Method 其实是 Template Method 的一种特殊应用——模板方法中的某个"步骤"恰好是"创建对象"。
好莱坞原则
模板方法遵循好莱坞原则：
“Don’t call us, we’ll call you.”（别找我，我会找你。）
子类不调用父类的方法，而是父类的模板方法在需要的时候调用子类的实现。控制权在父类手里。
现代 C++ 小贴士：CRTP 静态模板方法
经典版本的模板方法用的是运行时虚函数。如果算法骨架在编译期就能确定（不需要运行时多态），可以用CRTP（Curiously Recurring Template Pattern，奇异递归模板模式）实现零开销的静态版本：
template<typenameDerived>classDataMinerBase{public:// 模板方法：调用派生类的具体步骤voidmine(conststd::string&path){openFile(path);autoraw=static_cast<Derived*>(this)->extractData();// 静态分派autodata=parseData(raw);analyzeData(data);static_cast<Derived*>(this)->generateReport(data);// 静态分派closeFile();}protected:voidopenFile(conststd::string&path){/* 通用实现 */}voidcloseFile(){/* 通用实现 */}std::vector<int>parseData(conststd::string&){return{1,2,3};}voidanalyzeData(conststd::vector<int>&){/* 通用实现 */}};classCSVMiner:publicDataMinerBase<CSVMiner>{public:std::stringextractData(){return"csv data";}voidgenerateReport(conststd::vector<int>&){/* CSV 报告 */}};CRTP 的static_cast<Derived*>(this)->method()在编译期解析，没有虚函数调用开销。
代价是：失去运行时多态（不能用基类指针统一操作不同类型的 Miner）。
选择法则：
- 需要运行时多态 → 经典虚函数版本
- 编译期确定类型、追求零开销 → CRTP 版本